劉吉飛，晁耀杰，楊峻嶺，李德勝，張義文，李林，王超緒

1.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業(yè)大學(xué) 遼寧大連 116000

1 序言

ZL101A（ZAlSi7Mg）是一種鋁-鎂-硅系亞共晶型可熱處理強(qiáng)化的鑄造鋁合金，是ZL101合金的改進(jìn)型，通過采用高純度原材料降低雜質(zhì)含量、添加細(xì)化元素調(diào)整成分，進(jìn)而使其具備更高的力學(xué)性能[1-5]。該合金具備優(yōu)良的鑄造性能、耐蝕性和焊接性，廣泛用于制造形狀復(fù)雜、壁厚較小、氣密性要求高且承受中等載荷的各種航空零件。航空鑄鋁零件因長(zhǎng)期在各種環(huán)境條件下服役，所以常會(huì)出現(xiàn)開裂、掉塊、腐蝕等缺陷，基于航空零件的高附加值考慮，零件的直接報(bào)廢換新會(huì)造成極大的浪費(fèi)。因此亟需采用合適的工藝完成可靠修復(fù)。

航空裝備行業(yè)通常采用TIG、MIG、氧乙炔焊等傳統(tǒng)工藝方法開展缺陷修復(fù)，隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，激光選區(qū)熔化沉積工藝因具備能量密度高、可控精度高、熱影響區(qū)小，以及修復(fù)尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空裝備各類金屬零件的修復(fù)中逐步得到推廣應(yīng)用。激光選區(qū)熔化沉積是一種典型的激光增材技術(shù)，具有送絲和送粉兩種方式，可用于直接制造近凈成形零件，也可用于修復(fù)與熔覆[6-8]，已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶重工及軌道車輛等工業(yè)領(lǐng)域[9-12]。目前，激光選區(qū)熔化沉積在鈦合金、不銹鋼和高溫合金等金屬的研究與應(yīng)用上取得了較大的進(jìn)展，但在鑄造鋁合金上，由于導(dǎo)熱性強(qiáng)、激光反射率高等因素，導(dǎo)致鑄鋁合金沉積難度大，同時(shí)容易產(chǎn)生氣孔、晶粒粗大、力學(xué)性能下降等缺欠，因此關(guān)于鑄造鋁合金激光選區(qū)熔化沉積修復(fù)相關(guān)的研究與應(yīng)用非常有限，現(xiàn)有研究主要集中在激光選區(qū)熔化沉積修復(fù)鋁合金微觀組織特征與成分偏析相關(guān)方面[13-15]，激光選區(qū)熔化沉積修復(fù)ZL101A零件性能相關(guān)的分析研究尚有很多工作有待開展。

ZL101A作為航空零件中應(yīng)用最廣泛的合金之一，研究其激光選區(qū)熔化沉積修復(fù)性能具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。文中采用激光選區(qū)熔化沉積技術(shù)在ZL101A基體上增材制備AiSi10Mg合金并開展一系列熱處理工藝試驗(yàn)，進(jìn)而模擬鑄鋁零件的修復(fù)過程，研究不同工藝條件下的組織和力學(xué)性能，最終為分析激光選區(qū)熔化沉積技術(shù)在ZL101A航空零件修復(fù)中的應(yīng)用可行性提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料和方法

激光選區(qū)熔化沉積的試驗(yàn)材料為AiSi10Mg合金粉末，顆粒度為100～150目，粉末化學(xué)成分見表1。為了降低金屬粉末中的吸附水分，最大限度地減少增材金屬的氣孔缺陷，試驗(yàn)前將合金粉末放置于真空加熱爐中，在氬氣氛圍中加熱60～65℃，保溫1h。激光選區(qū)熔化沉積的基板材料為50mm厚的ZL101A弧形鑄件，熱處理狀態(tài)為T6，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到230MPa，其化學(xué)成分見表2。為了去除基板表面的氧化膜和污染物，首先將基板進(jìn)行堿洗，直至恢復(fù)表面金屬光澤，然后用流動(dòng)的清水沖洗干凈，最后再用丙酮清洗干凈，在自然狀態(tài)下晾干。

表1 AiSi10Mg合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 ZL101A基板合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

激光選區(qū)熔化沉積試驗(yàn)設(shè)備為1064nm的YAG激光器、高精度可調(diào)送粉器、St?buli五軸機(jī)械臂，真空充氬保護(hù)環(huán)境，利用同軸送粉方式進(jìn)行逐層堆積成形。為了改善激光的反射率，在ZL101A基板表面噴涂0.2mm的黑色吸光涂層。為了研究不同激光功率對(duì)沉積性能的影響，分別采用3種不同的工藝參數(shù)（見表3），沉積出的尺寸均為長(zhǎng)60mm、寬10mm、高35mm的試樣。加工試樣實(shí)物如圖1所示，激光選區(qū)熔化沉積原理如圖2所示。

圖1 加工試樣實(shí)物

表3 激光選區(qū)熔化沉積工藝參數(shù)

按照?qǐng)D3、圖4所示的切割方向與試樣尺寸，針對(duì)每種工藝的沉積部分采用線切割方法切割出10件拉伸試樣。為了研究T6熱處理對(duì)激光選區(qū)熔化沉積試樣性能的影響，分別選出5件1～3號(hào)激光選區(qū)熔化沉積的拉伸試樣進(jìn)行T6熱處理，具體操作方式為：箱式電阻爐中加熱到525℃保溫3h，然后水淬固溶處理，隨后箱式電阻爐中加熱到155℃保溫4h，最后空冷至室溫。拉伸試樣的標(biāo)記見表4。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)》，在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（Zwick Z05型）上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖3 拉伸試樣的取樣方向

圖4 拉伸試樣尺寸

針對(duì)上述6種工藝的拉伸斷口進(jìn)行金相試驗(yàn)，使用光學(xué)顯微鏡（ZEISS A1型）對(duì)比觀察微觀金相形貌；同時(shí)采用掃描電子顯微鏡（TESCAN MAIA3型）對(duì)拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌對(duì)比觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)可以用來(lái)測(cè)定金屬材料的最基本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等。試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖5可看出，1-1～1-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度為82.5MPa，平均抗拉強(qiáng)度為119.3MPa；1R-1～1R-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度提升至161.4MPa，平均抗拉強(qiáng)度提升至187.4MPa；2-1～2-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度為76.4M P a，平均抗拉強(qiáng)度為140.4MPa；2R-1～2R-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度提升至163.5MPa，平均抗拉強(qiáng)度提升至196.8MPa；3-1～3-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度為91.2MPa，平均抗拉強(qiáng)度為143.7MPa；3R-1～3R-5拉伸試樣的平均屈服強(qiáng)度提升至162.3MPa，平均抗拉強(qiáng)度提升至192.4MPa。

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，1R～3R試樣相對(duì)1～3試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均存在大幅度的提高，但斷后伸長(zhǎng)率均存在一定程度的下降。這是因?yàn)榛w（ZL101A）和填充料（AlSi10Mg）均為熱處理強(qiáng)化鋁合金，T6（固溶＋人工時(shí)效）熱處理可以起到很好的強(qiáng)化效果，然而塑性存在一定程度的下降。經(jīng)對(duì)比，2R試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高，同時(shí)考慮到鑄鋁合金零件的服役環(huán)境對(duì)塑性指標(biāo)幾乎無(wú)要求，因此2R試樣的工藝可滿足鑄鋁零件的使用要求。

3.2 金相試驗(yàn)

鑄鋁合金拉伸試樣的斷后伸長(zhǎng)率數(shù)值較小（均＜6%），塑性變形量對(duì)斷口附近金相組織形貌幾乎無(wú)影響。通過統(tǒng)計(jì)以上6種拉伸試樣的斷裂位置發(fā)現(xiàn)，斷口均位于基材位置。選取上述6種拉伸試樣的典型斷口制作金相試樣來(lái)開展金相觀察試驗(yàn)。通過金相觀察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非熱處理狀態(tài)的1～3號(hào)斷裂位置金相照片幾乎無(wú)差別，熱處理后典型拉伸試樣斷裂位置的金相組織也幾乎無(wú)差別，因此對(duì)具備代表性的典型斷口附近金相開展了觀察試驗(yàn)。鑄鋁合金ZL101A基材的金相組織如圖6所示。從圖6可看出，ZL101A基材的金相組織為典型的鑄造組織，包括α固溶體和共晶相，共晶相在沿晶界呈網(wǎng)狀分布，細(xì)化和變質(zhì)效果正常，共晶硅呈細(xì)小點(diǎn)狀和橢圓形分布于枝晶間，白色初晶α固溶體較粗大。

圖6 ZL101A基材的金相組織照片

選取編號(hào)1-1的非熱處理拉伸試樣開展金相觀察試驗(yàn)，其斷口及界面處的金相組織如圖7所示，沉積側(cè)的金相組織如圖8所示。由圖7可知，斷口為非熱處理拉伸試樣的典型斷口，斷裂位置發(fā)生在基材位置，沉積金屬與基材的顏色存在明顯區(qū)別，沉積金屬顏色發(fā)暗。由圖8可知，沉積側(cè)為AlSi10Mg的金相組織，該組織同ZL101A基材的金相組織相比，也是由白色α固溶體和灰色共晶相構(gòu)成，但其中的α固溶體尺寸更小且形狀更加不規(guī)則，灰色共晶相的形狀也更加尖銳、不圓整。

圖7 非熱處理拉伸試樣斷口及界面處的金相組織

圖8 非熱處理拉伸試樣沉積側(cè)的金相組織

選取編號(hào)2R-1的熱處理拉伸試樣，其斷口及界面處的金相組織如圖9所示，沉積側(cè)的金相組織如圖10所示。從圖9和圖10可看出，經(jīng)過T6熱處理的沉積組織發(fā)生較大變化，共晶相（共晶硅）一方面發(fā)生了粗化，另一方面更加圓整化，且由于強(qiáng)化相的固溶效果更加完全，所以導(dǎo)致白色的α固溶體顏色變灰。

圖9 熱處理后拉伸試樣斷口及界面處的金相組織

圖10 熱處理后拉伸試樣沉積側(cè)的金相組織

3.3 斷口分析試驗(yàn)

為了研究激光選區(qū)熔化沉積修復(fù)接頭拉伸斷口的韌脆性，采用TESCAN MAIA3型掃描電子顯微鏡對(duì)6種拉伸試樣的斷口進(jìn)行了微觀形貌觀察。觀察發(fā)現(xiàn)，6種拉伸試樣的斷口特征類似，3-1試樣的拉伸斷口形貌如圖11所示。斷面上存在密布的韌窩，且韌窩周圍可觀察到明顯的撕裂棱，均呈現(xiàn)出典型的韌性特征，這是因?yàn)殍T造鋁合金拉伸試樣承受拉伸載荷，當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生縮頸形成三向應(yīng)力狀態(tài)。中心軸向應(yīng)力會(huì)隨著頸縮的進(jìn)展不斷增大。強(qiáng)化相與固溶體由于變形系數(shù)存在差異，因此隨著塑性變形增大，兩者會(huì)分離產(chǎn)生微孔，另外也可能因強(qiáng)烈滑移位錯(cuò)而產(chǎn)生孔洞，即韌窩（見圖11a）。韌窩在多處形核，然后隨變形的增加，微孔壁變薄，通過撕裂方式相連接，進(jìn)而在韌窩周圍形成撕裂棱。

通過對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，3-1拉伸試樣的斷口處存在數(shù)量較多的氣孔（見圖11b），這可能與激光功率較低有關(guān)。另外，數(shù)量較多且密集分布的氣孔也是導(dǎo)致強(qiáng)度偏低的原因之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）T6熱處理可以提升激光選區(qū)熔化沉積試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，2號(hào)激光選區(qū)在熔化沉積工藝條件下（金屬粉末粒度100～150目、吸光涂層0.2mm、送粉速度10g/s、功率1600W和掃描速度8mm/s）得到的強(qiáng)度指標(biāo)最高，T6熱處理后，接頭平均抗拉強(qiáng)度為196.8MPa，達(dá)到基材的85.6%，可滿足一般ZL101A航空鑄件的修復(fù)要求。

2）AlSi10Mg沉積組織由白色α固溶體和灰色共晶相構(gòu)成，熱處理后強(qiáng)化相的固溶效果更加完全，共晶相更加圓整化，白色的α固溶體顏色變灰。

3）激光選區(qū)熔化沉積試樣均為塑性斷裂，斷口特征均呈現(xiàn)為韌窩和撕裂棱狀，異常斷裂的拉伸件斷口分布有較多氣孔。